CN203893069U - Led均匀准直的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及LED照明的准直光学系统技术领域，具体涉及一种LED均匀准直的光学系统，包括共轴设置的第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜间距为0.01m-0.1m；第一自由曲面透镜包括第一曲面，为旋转对称自由曲面；第二曲面，为旋转对称自由曲面；第三曲面，为旋转对抛物面；第五曲面，为旋转对称自由曲面；以及第四曲面，为圆柱面，用于连接第三曲面和第五曲面；所述第二自由曲面透镜，由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面，控制第二自由曲面透镜发出的光束的方向，第二曲面和第三曲面分别为透镜的连接曲面和光线出射面。本实用新型具有很好的光线控制能力，可以将LED的光线整形为均匀的圆形光斑。

Description

LED均匀准直的光学系统

技术领域

本发明涉及LED照明的准直光学系统技术领域，具体涉及一种LED均匀准直的光学系统。

技术背景

LED作为一种新型光源，由于其高光效，寿命长，无毒害等优点使其在成为白炽灯、荧光灯等传统的光源的完美替代者。但由于LED的光强分布为圆形的朗伯型分布，如果直接应用于照明，则会在目标面上形成极为不均匀的照度分布，无法满足各种照明场合对灯具光学性能的要求。为了使LED更好的应用于照明领域，需要设计二次光学系统重新分配LED的光强分布，使得其在目标面能够形成均匀或者其它特定的照度分布。

在光通信、光电成像等照明应用场合，不仅需要均匀照明，还需要光线为准直光。为此，至少需要两个光学表面控制LED光线的方向，其中第一个曲面形成均匀分布，第二个曲面改变光线方向使之准直。中国发明专利申请说明书CN103148443A提出了一种用于获得均匀平行光束的双自由曲面厚透镜及其阵列的设计方法。该厚透镜包括两个自由曲面，可以获得针对LED光源的均匀准直光线。然而由于在不同折射率介质之间存在全反射现象，因此这种透镜并不能收集LED的全部光线，因此会造成透镜的光效不够高，影响整个系统的传播距离。

发明内容

本发明的目的是针对光通信、光电成像等需要准直照明的场合，设计一种实现圆形光斑均匀准直照明的LED均匀准直的光学系统，这种光学系统可以收集LED的全部光线，具有较高的光效。

为实现上述目的，本发明所设计的LED均匀准直的光学系统，包括共轴设置的第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜，所述第一自由曲面透镜和第二自由曲面透镜间距为0.01m-0.1m；

所述第一自由曲面透镜包括第一曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线平行于z轴；第二曲面，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线成为与x轴上点光源发出的光线重合；第三曲面，为旋转对抛物面，抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点；第五曲面，为旋转对称自由曲面，用于控制经过第一曲面、第二曲面和第三曲面之后平行于z轴的光线，使得这束平行于z轴的光线在经过第五曲面后在空间中任一个与z轴垂直的圆平面上形成均匀的照度分布；以及第四曲面，为圆柱面，用于连接第三曲面和第五曲面；

所述第二自由曲面透镜，由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面，控制第二自由曲面透镜发出的光束的方向，第二曲面和第三曲面分别为透镜的连接曲面和光线出射面。

进一步地，所述第一曲面和第二曲面上点的坐标由下式计算得出：设定第一自由曲面的初始点，通过下式迭代得到其轮廓线：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{z_{i-1}+x_{i-1}k}{\cot {\mathrm{\θ}}_i+k}\\ z_i=x_i\cot {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right.---\left(1\right)$

其中(x_i,z_i)为当前迭代需要计算的点的坐标，(x_i-1,z_i-1)为前一点的坐标，(N_x,N_z)为前一点的法向量坐标，得到轮廓曲线之后，以z轴为对称轴旋转360°即可得到整个曲面。

再进一步地，所述第五曲面点的坐标和自由曲面的z轴坐标通过同时迭代得到，设第五曲面和自由曲面上点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，将光源的角度空间划分为M×N份，每份中的光通量相同，计算对应的第五曲面的x、y轴坐标。同时将出射光斑的截面划分为M×N个面积相等的单元，并计算对应自由曲面上对应点的x、y轴坐标，选定两个曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线上点的z轴坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_{1,i}=\frac{-(x_{1,i}-x_{1,i-1})N_{1x}-(y_{1,i}-y_{1,i-1})N_{1y}}{N_{1z}}+z_{1,i-1}\\ Z_{2,i}=\frac{-(x_{\mathrm{2,1}}-x_{2,i-1})N_{2x}-(y_{2,i}-y_{2,i-1})N_{2y}}{N_{2z}}+z_{2,i-1}\end{array}\right.---\left(2\right)$

其中(x_1,i,y_1,i,z_1,i)和(x_2,i,y_2,i,z_2,i)为当前迭代需要计算的第一自由曲面透镜的第五曲面和第二自由曲面透镜的第一曲面上点的坐标，(x_1,i-1,y_1,i-1,z_1,i-1)和(x_2,i-1,y_2,i-1,z_2,i-1)为对应前一点的坐标，(N_1x,N_1y,N_1z)和(N_2x,N_2y,N_2z)为前一点的法向量坐标，在得到初始骨架曲线后通过(2)式迭代得到下一条骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到第五曲面和第一自由曲面。

本发明的设计LED均匀准直二次光学系统，具有良好的光线控制能力，可以将LED的光线整形为均匀的圆形光斑，因为LED光线入射面准直时采用了全反射面，因此可以收集全部LED的光线而不会因为全反射降低光学系统的光效。

附图说明

图1是本发明一个具体实施的整体结构示意图。

图2图1的侧视图。

图3图2的剖视图。

图4是图1中第二自由曲面透镜（2）的侧视图。

图5是图4的剖视图。

图6.1是具体实施在光学设计软件中目标面上的照度分布的仿真结果图；

图6.2是具体实施在光学设计软件中出射光斑目标面上两个中心坐标轴上照度分布的仿真结果图；

图中，1-第一自由曲面透镜，11-第一曲面；12-第二曲面；13-第三曲面；14-第四曲面；15-第五曲面；2-第二自由曲面透镜；21-自由曲面；22-连接曲面；23-光线出射面。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：

图1-4中所示的LED均匀准直的光学系统，包括共轴设置的第一自由曲面透镜1和第二自由曲面透镜2，第一自由曲面透镜1和第二自由曲面透镜2间距为0.01m-0.1m；第一自由曲面透镜1包括第一曲面11，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线平行于z轴，该自由曲面控制的LED光线与z轴的夹角由透镜材料的折射率决定；第二曲面12，为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线成为与x轴上点光源发出的光线重合；第三曲面13，为旋转对抛物面，抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点；第五曲面15，为旋转对称自由曲面，用于控制经过第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13之后平行于z轴的光线，使得这束平行于z轴的光线在经过第五曲面15后在空间中任一个与z轴垂直的圆平面上形成均匀的照度分布；以及第四曲面14，为圆柱面，用于连接第三曲面13和第五曲面15；第二自由曲面透镜2，由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面21，控制第二自由曲面透镜2发出的光束的方向，第二曲面和第三曲面分别为透镜的连接曲面22和光线出射面23。

第一曲面11和第二曲面12上点的坐标由下式计算得出：设定第一自由曲面的初始点，通过下式迭代得到其轮廓线：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{z_{i-1}+x_{i-1}k}{\cot {\mathrm{\θ}}_i+k}\\ z_i=x_i\cot {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中(x_i,z_i)为当前迭代需要计算的点的坐标，(x_i-1,z_i-1)为前一点的坐标，(N_x,N_z)为前一点的法向量坐标，得到轮廓曲线之后，以z轴为对称轴旋转360°即可得到整个曲面。

第五曲面15点的坐标和自由曲面21的z轴坐标联立求取得到，设第五曲面15和自由曲面21上点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，将光源的角度空间划分为M×N份，每份中的光通量相同，计算对应的第五曲面15的x、y轴坐标。同时将出射光斑的截面划分为M×N个面积相等的单元，并计算对应自由曲面21上对应点的x、y轴坐标，选定两个曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线上点的z轴坐标为：

$\left\{\begin{array}{c}{z}_{1,i}=\frac{-(x_{1,i}-x_{1,i-1})N_{1x}-(y_{1,i}-y_{1,i-1})N_{1y}}{N_{1z}}+z_{1,i-1}\\ Z_{2,i}=\frac{-(x_{\mathrm{2,1}}-x_{2,i-1})N_{2x}-(y_{2,i}-y_{2,i-1})N_{2y}}{N_{2z}}+z_{2,i-1}\end{array}\right.---\left(4\right)$

其中(x_1,i,y_1,i,z_1,i)和(x_2,i,y_2,i,z_2,i)为当前迭代需要计算的第一自由曲面透镜的第五曲面和第二自由曲面透镜的第一曲面上点的坐标，(x_1,i-1,y_1,i-1,z_1,i-1)和(x_2,i-1,y_2,i-1,z_2,i-1)为对应前一点的坐标，(N_1x,N_1y,N_1z)和(N_2x,N_2y,N_2z)为前一点的法向量坐标，在得到初始骨架曲线后通过(2)式迭代得到下一条骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到第五曲面15和自由曲面21。

作为本发明的一个具体实施例，LED位于坐标原点。该光学系统包括两个部分，第一自由曲面透镜1和第二自由曲面透镜2。

图2和图3是图1中第一自由曲面透镜1的侧视和剖视图，其中第一曲面11、第二曲面12、第三曲面13是LED光线的入射面，目的是将LED发出的球面波准直为与z轴垂直的平面波。

第一曲面11将来自LED的光线折射至与z轴平行，此曲面为旋转对称的，因此计算时只需计算出一条轮廓曲线，然后绕z轴旋转一圈即可得到第一曲面11的面型。计算轮廓曲线时，首先确定初始点的坐标值，初始点为曲面与z轴的交点，通过迭代的方式计算轮廓曲线上点的坐标值。令当前已知点(x_i-1,z_i-1)的法向量为N=(N_x,N_z)，要计算的轮廓曲线下一点对应的入射光线与z轴的夹角为θ_i，则下一点的坐标值(x_i,z_i)为：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_i=\frac{z_{i-1}+x_{i-1}k}{\cot {\mathrm{\θ}}_i+k}\\ z_i=x_i\cot {\mathrm{\θ}}_i\end{array}\right.---\left(5\right)$

其中k=N_x/N_z。在此实施中曲面S11的初始点的z坐标值为5mm，曲面边缘对应LED光线与z轴夹角为30o。

第二曲面12的目的是使得LED发出的光线在此曲面折射之后的出射光线的反向延长线交于x轴一点，从而得到一个虚拟光源点。第二曲面12的初始点为第一曲面11的边缘点，计算时同样使用(1)。

第三曲面13的焦点为第二曲面12创造的虚拟光源点，利用全反射原理，将来自第二曲面12的光线反射至与z轴平行方向。

第五曲面15的将经过曲面第一曲面11、第二曲面12和第三曲面13之后的平面波的能量重新分配，使得在空间中某个中心在z轴上并且与z轴垂直的圆平面上形成均匀分布。第四曲面14上点的坐标计算方式为利用能量守恒，将入射波阵面和目标圆平面划分为能量相等的网格，根据空间拓扑确定网格点之间的对应关系，再利用(1)式即可计算第五曲面15上点的坐标。由于第五曲面15是旋转对称的，因此只需要计算轮廓曲线即可得到曲面面型。本实施中该圆平面位于z=70mm处，半径为20mm，第五曲面15的初始点为(0,0,17.36)。

在计算得到第一自由曲面透镜1的所有曲面之后，高为20.55mm，宽为32.44mm。第一曲面11和第二曲面12之间形成的空间高为5mm，宽为4.9mm，用于放置LED光源。

图4和图5是图1中第二自由曲面透镜12的侧视和剖视图。本实施中的第二自由曲面透镜2由自由曲面21、连接曲面22、光线出射面23组成。

连接曲面22、光线出射面23为透镜的连接面和光线出射面，在实际使用中不改变光线的出射方向。

自由曲面21的目的是将来自第一自由曲面透镜1的光束折射至与z轴平行方向。采用斯涅尔定律来计算自由曲面上点的坐标，计算方法仍然采用式（1）。

图6.1和图6.2是本实施在光学设计软件中得到的出射光斑的仿真结果，通过追迹一百万条光线得到，其中图6.1为目标面上的照度分布，图中灰度值大小与照度值成正比，图6.2为目标面上两个中心坐标轴上的照度分布。仿真结果表明本实施的透镜系统的光学效率为80.82%。在x轴和y轴上的光照度均匀性均为75%，均匀性好。

Claims (3)

1.一种LED均匀准直的光学系统，其特征在于包括：共轴设置的第一自由曲面透镜（1）和第二自由曲面透镜（2），所述第一自由曲面透镜（1）和第二自由曲面透镜（2）间距为0.01m-0.1m； 

所述第一自由曲面透镜（1）包括第一曲面（11），为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线平行于z轴；第二曲面（12），为旋转对称自由曲面，用于将LED发出的光线折射，使折射后的光线成为与x轴上点光源发出的光线重合；第三曲面（13），为旋转对抛物面，抛物面的焦点为第二曲面折射光线的虚拟光源点；第五曲面（15），为旋转对称自由曲面，用于控制经过第一曲面（11）、第二曲面（12）和第三曲面（13）之后平行于z轴的光线，使得这束平行于z轴的光线在经过第五曲面（15）后在空间中任一个与z轴垂直的圆平面上形成均匀的照度分布；以及第四曲面（14），为圆柱面，用于连接第三曲面（13）和第五曲面（15）； 

所述第二自由曲面透镜（2），由三个曲面组成，其中第一曲面为自由曲面（21），控制第二自由曲面透镜（2）发出的光束的方向，第二曲面和第三曲面分别为透镜的连接曲面（22）和光线出射面（23）。 

2.根据权利要求1所述的LED均匀准直的光学系统，其特征在于：所述第一曲面（11）和第二曲面（12）上点的坐标由下式计算得出：设定第一自由曲面的初始点，通过下式迭代得到其轮廓线： 

其中(x_i,z_i)为当前迭代需要计算的点的坐标，(x_i-1,z_i-1)为前一点的坐标，(N_x,N_z)为前一点的法向量坐标，得到轮廓曲线之后，以z轴为对称轴旋转360°即可得到整个曲面。 

3.根据权利要求1所述的LED均匀准直的光学系统，其特征在于：所述第五曲面（15）点的坐标和自由曲面（21）的z轴坐标联立求取得到，设第五曲面（15）和自由曲面（21）上点的坐标分别为(x₁,y₁,z₁)和(x₂,y₂,z₂)，将光源的角度空间划分为M×N份，每份中的光通量相同，计算对应的第五曲面（15）的x、y轴坐标，同时将出射光斑的截面划分为M×N个面积相等的单元，并计算对应自由曲面（21）上对应点的x、y轴坐标，选定两个曲面的初始点，通过迭代的方法求解初始骨架曲线上点的z轴坐标为： 

其中(x_1,i,y_1,i,z_1,i)和(x_2,i,y_2,i,z_2,i)为当前迭代需要计算的第一自由曲面透镜的第五曲面和第二自由曲面透镜的第一曲面上点的坐标，(x_1,i-1,y_1,i-1,z_1,i-1)和(x_2,i-1,y_2,i-1,z_2,i-1)为对应前一点的坐标，(N_1x,N_1y,N_1z)和(N_2x,N_2y,N_2z)为前一点的法向量坐标，在得到初始骨架曲线后通过(2)式迭代得到下一条骨架曲线，在得到所有骨架曲线之后，通过放样的方式得到第五曲面（15）和自由曲面（21）。